חום וסדר
1/02/2011

מבוסס על:

ביצוע מדידות רצופות של מערכות קוונטיות מסוימות עשוי לגרום להן לשנות את מצבן למצב מסודר יותר או מסודר פחות. מצב מסודר הוא מצב שבו המערכת קרה יותר מאשר במצב פחות מסודר.

לפני כשנתיים פרסמו פרופ' קוריצקי מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע, ד"ר נעם ארז ותלמיד המחקר (דאז) ד"ר גורן גורדון, מאמר בכתב העת המדעי Nature. במאמר זה הם חזו שביצוע מדידות רצופות של מערכות קוונטיות מסוימות עשוי לגרום להן לשנות את מצבן למצב מסודר יותר או מסודר פחות. חיזוי זה מבוסס על אחד מעקרונות הפיסיקה הקוונטית: מספר רב של מדידות רצופות משנה את תכונות המערכת. החוקרים מצאו שתדירות המדידות משפיעה על מצב המערכת: מדידות בקצב מהיר מאוד, עשויות לחמם את המערכת, ואילו אותן מדידות ממש, הנעשות בתדירות מעט יותר איטית, עשויות לקרר אותה.

העבודה שהובילה לחיזוי זה התבססה על מודל של מערכת קוונטית פתוחה: מערכת שבה הרכב קטן של חלקיקים קוונטיים מקיים יחסי גומלין עם מספר רב של חלקיקים הנתונים בתוך "אמבט". בדומה לאופן שבו עצם גדול (יחסית) הטבול באמבטיית מים יחליף איתם חום עד להשוואת טמפרטורת ביניהם, כך גם עצמים קוונטיים המצויים באמבטיית חלקיקים נוטים להגיע לנקודת איזון עם סביבתם. בעולם הקוונטי, האיזון הזה יכול להתבטא בתכונות קוונטיות שאין להן מקבילה בעולם הקלאסי. לדוגמה, הוא יכול להשפיע על הספין של חלקיקים שמרכיבים את גרעיני האטומים.

ספין הוא מאפיין קוונטי של כל החלקיקים בטבע - חלקיקים יסודיים, וחלקיקים מורכבים הבנויים מחלקיקים יסודיים (כמו פרוטונים הבנויים מקוארקים). מצד אחד, ספין דומה לתנע הזוויתי הקלאסי (וקטור התנע הזוויתי    של גוף מוגדר יחסית לציר סיבוב מסוים וערכו הוא המכפלה הוקטורית של המרחק מציר הסיבוב בתנע הקווי של החלקיק -  ,כאשר הוא המרחק מציר הסיבוב ו- הוא התנע הקווי של הגוף). מאידך, ספין שונה מהתנע הזוויתי הקלאסי בכך שהוא תנע זוויתי פנימי של החלקיק. בעולם הקוואנטי הן הספין והן התנע הזויתי הרגיל מקוונטטים, כלומר יכולים לקבל רק ערכם בדידים. גודלו של הספין S הוא כאשר, הוא מספר שלם ו- ħ הוא קבוע פלנק. לחלקיקים יסודיים כמו אלקטרונים, ולחלק מהחלקיקים המורכבים- כמו פרוטונים וניטרונים- יש ערכו של s הוא 1/2. ניתן לקבוע את כיוון הספין הקוונטי לפי כיוונו של היטל הספין על אחד הצירים (לרוב נבחר ציר z לצורך זה). אם הספין הכולל הוא 1/2, אזי ההיטל על ציר z יכול להיות 1/2+ או 1/2-.  במקרה זה אומרים שהספין מתאפיין באחד משני כיוונים אפשריים: "למעלה" (היטל +1/2), או "למטה" (היטל -1/2).

ככל שסידורי הספינים של מערכת אקראיים יותר, המערכת "חמה" יותר. לפי החיזוי של פרופ' קוריצקי, המדידות עשויות לשבש את תהליך ההגעה לאיזון בין העצם הקוונטי והאמבט – מה שסותר את התחזיות המבוססות על כללי התרמודינמיקה הקלאסיים. במילים אחרות, המדידה מסוגלת לשחרר את החלקיקים באופן חלקי מהשפעת האמבטיה, וכך לאפשר לחוקרים "לאפס" את הטמפרטורה שלהם.

כאן נכנס לתמונה פרופ' פרידמן , (גם הוא מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה במכון ויצמן למדע), שראה הזדמנות להרחיב את גבולות היכולת של התהודה המגנטית הגרעינית (NMR-Nuclear Magnetic Resonance).

מהי תהודה מגנטית? כאמור, לכל החלקיקים בטבע ישנו ספין. למערכת המורכבת ממספר חלקיקים ישנו ספין כולל, שיכול להיות מספר שלם, מספר חצי שלם, או אפס. אם לפרוטונים ולניטרונים המרכיבים את גרעין האטום ישנם ספינים מקבילים (כולם באותו כיוון), מצב האנרגיה שלהם הוא הנמוך ביותר (מערכת כזו היא מקוררת). במצב כזה הספין הכולל של המערכת לא יכול להיות אפס. למעשה, מצב שבו הספין הכולל אינו אפס תלוי לרוב במספר החלקיקים המרכיבים את הגרעין: אם ישנו מספר זוגי של ניטרונים ומספר זוגי של פרוטונים-הספין הכולל יהיה אפס. אם ישנו מספר אי זוגי של פרוטונים ומספר זוגי או אי זוגי של ניטרונים (או להיפך)-הספין הכולל לא יהיה אפס. לכן, לאיזוטופים בעלי מספר אי זוגי של פרוטונים ו/או מספר אי זוגי של ניטרונים ישנו ספין שונה מאפס (באיזוטופ של יסוד מספר הפרוטונים זהה למספר הפרוטונים ביסוד, אך מספר הניטרונים שונה). בתהליך ה- NMR מפעילים שדה אלקטרומגנטי חיצוני על מערכת שהספין הכולל של כל אטום שבה שונה מאפס. בגלל השדה המגנטי החיצוני יסתדרו כל הספינים באותו כיוון, וזהו מצב בו אנרגיית המערכת מינימאלית. בשלב זה שולחים לתווך גלים אלקטרומגנטיים בתדרים שונים (בד"כ תדרים בתחום גלי רדיו). כעת יבלעו האטומים אנרגיה, ואז מופסק שידור גלי הרדיו. לאחר זמן מה תחזור המערכת למצב האנרגיה המינימאלית (כי השדה החיצוני פועל כל הזמן), ואז תיפלט הקרינה שנבלעה. הקרינה נפלטת בתדר מסוים מאד, המתאים להפרשי האנרגיה של האטומים. לפי ניתוח הקרינה הנפלטת ניתן לקבל מידע לגבי החומר שבתווך.

פרופ' פרידמן, יחד עם פרופ' קוריצקי ועם החוקרים הבתר-דוקטוריאליים ד"ר גונזאלו אלוורז וד"ר דורג'ה בהקטווטסלה רא דסארי, מצאו דרך לבחון ב- NMR את האפשרויות לחימום או לקירור באמצעות שינוי קצב המדידות.

"ה-NMR הוא למעשה הטכנולוגיה האידיאלית לביצוע ניסויים כאלה", אומר פרופ' פרידמן."הודות לגלים האלקטרומגנטיים בתדר נמוך והאיטיים יותר שעליהם הוא מתבסס, ה- NMR  , ברוב המקרים, מדויק יותר".

בניסוי שביצע צוות המדענים היה האמבט עשוי ממספר גדול של פרוטונים (גרעינים של אטומי מימן). החלקיקים הקוונטיים היו גרעינים של האיזוטופ פחמן 13 (שבגרעינו 6 פרוטונים ו-7 ניטרונים). כדי לדמות תהליך מדידה, השתמשו המדענים בפעימות מגנטיות קצרות, תוך שהם בודקים את סדר הספינים של גרעיני הפחמן 13. בתחילת הניסוי היו גרעינים אלה במצב של אי-סדר, והספינים שלהם הצביעו לכל הכיוונים. אבל כששינו החוקרים את תדירות הפעימות המגנטיות – בטווח שבין פעימה אחת לעשר פעימות באלפית השנייה – אפשר היה לגרום לספינים להתארגן במקביל לשדה המגנטי או בכיוון הנגדי. "זה דומה לאיש שמשוטט הלוך וחזור בשביל", אומר פרופ' פרידמן. "באמצעות ההחלטה מתי ואיפה לעצור אותו אנחנו יכולים 'לאפס' את מהלך ההליכה שלו, וכך לשלוט בכיוון שבו הוא הולך. במערכת הניסויית שלנו הצלחנו, באמצעות הגישה הזאת, לסדר את הספינים של קבוצות החלקיקים הקוונטיים 'כלפי מעלה' או 'כלפי מטה', לפי רצוננו. במקרים מסוימים קיבלנו מערך טוב יותר מזה שאפשר לקבל בשיטות אחרות".

המדענים הופתעו לגלות התאמה כמעט מלאה ביו תוצאות הניסוי לבין התיאוריה, והם מתחילים לחשוב על יישומים אפשריים. פרופ' פרידמן, למשל, סבור ששיטה המאפשרת לשלוט בספינים של חלקיקים קוונטיים עשויה לשפר את היעילות של ניסויי NMR מסוימים. פרופ' קוריצקי מתכוון לחקור כיצד העיקרון הזה יכול לעזור להתגבר על אחד המחסומים לבניית מחשבים קוונטיים. "כדי ליצור רישום של זיכרון קוונטי", הוא אומר, "חייבים להתחיל ממצב אשר בו כל הספינים מסודרים באותו כיוון. השיטה שלנו יכולה להגיע למצב הזה ללא הפעלת 'אלימות' מיותרת. ייתכן שכדי ליצור את הסידור הנכון נצטרך רק למצוא את התדירות המתאימה של מחזור המדידות".